Тайна двойных горячих юпитеров: как гравитация звезд формирует экстремальные миры

С момента открытия первой экзопланеты, 51 Pegasi b, в 1995 году астрономы столкнулись с загадкой: почему некоторые газовые гиганты, подобные Юпитеру, вращаются опасно близко к своим звездам, раскаляясь до температур, при которых испаряются даже камни? Эти «горячие юпитеры» бросают вызов традиционным теориям планетообразования, согласно которым газовые гиганты формируются в холодных внешних областях систем. Но еще более удивительными оказались редкие двойные звездные системы, где у каждой звезды есть свой горячий юпитер. Как могли две планеты-гиганта оказаться так близко к своим светилам, не разрушившись и не столкнувшись?

Новое исследование астрономов Йельского университета, опубликованное в Astrophysical Journal, предлагает ответ. Оказывается, виной всему — гравитационный «танец» звезд, который медленно, но неуклонно меняет орбиты планет, заставляя их мигрировать внутрь системы. Этот механизм, известный как миграция Цайпеля–Лидова–Козаи (ZLK, или резонанс Лидова–Козаи), может объяснить, почему в двойных системах иногда встречаются пары горячих юпитеров.

Горячие юпитеры: аномалия планетарной науки

Горячие юпитеры — одни из самых экстремальных миров во Вселенной. Их орбитальные периоды могут составлять менее суток, а температуры достигают 1650 °C — достаточно, чтобы испарить силикаты и металлы, создавая облака из расплавленных минералов в их атмосферах. Хотя они составляют лишь около 500 из 5900 известных экзопланет, их существование заставило ученых пересмотреть модели формирования планет.

Еще более редки системы, где две звезды-компаньона обладают своими горячими юпитерами. До сих пор не было ясно, как такие планеты могли синхронно мигрировать так близко к своим звездам. Новое исследование показывает, что ключ кроется в динамике двойных звездных систем.

Команда ученых под руководством Малены Райс провела численное моделирование, используя данные космических миссий Gaia и NASA Exoplanet Archive. Они обнаружили, что если две звезды находятся на правильном расстоянии друг от друга (не слишком близко, но и не слишком далеко), их гравитационное взаимодействие может постепенно искажать орбиты планет, заставляя их смещаться внутрь системы.

«Механизм ZLK — это своего рода танец, — объясняет Малена Райс. — В двойной системе вторая звезда деформирует орбиты планет, заставляя их мигрировать к своим звездам. Мы показали, что этот процесс может происходить зеркально, так что в итоге обе звезды получают по горячему юпитеру».

Условия для формирования двойных горячих юпитеров

Как отмечает соавтор исследования Тайгер Лу, критически важно, чтобы звезды находились в «золотой середине» — достаточно далеко, чтобы вокруг каждой из них мог сформироваться газовый гигант, но достаточно близко, чтобы их гравитация влияла на планеты в течение миллиардов лет.

«Наш механизм лучше всего работает в системах, где звезды разделены умеренным расстоянием, — говорит Лу. — Если они слишком далеки, миграции не произойдет, а если слишком близки — планеты не смогут сформироваться или будут выброшены из системы».

Будущие исследования: поиск новых двойных систем

Ученые предполагают, что в ближайшие годы могут быть обнаружены новые примеры двойных горячих юпитеров. Уже сейчас известно несколько десятков систем, где у звезды с горячим юпитером есть звездный компаньон — и там может скрываться вторая гигантская планета.

«Современные вычислительные методы позволяют нам моделировать эволюцию планет на миллиарды лет, — говорит Юроу Лю, автор исследования. — Мы ожидаем, что горячие юпитеры формируются далеко от своих звезд, а затем мигрируют внутрь. Но как именно это происходит в двойных системах — пока остается одной из самых интригующих загадок астрофизики».

Это открытие не только объясняет редкие двойные системы, но и дает новое понимание динамики планетарной миграции, которое может изменить наши представления о том, как формируются и эволюционируют планетные системы во Вселенной.